تنظیم مجدد ساعت زندگی
ما می دانیم که ساعت شبانه روزی زمان را در هر سلول زنده نگه می دارد و فرآیندهای بیولوژیکی مانند متابولیسم، تقسیم سلولی و ترمیم DNA را کنترل می کند، اما ما نمی دانیم که چگونه.
نویسنده : داوود سلیانچی
شب کاری ، جت لگ ( به هم خوردن تنظیم خواب) ، خواب آشفته. این موارد به دور از ایجاد خواب آلودگی، تاثیر عمیق تری دارند. به این دلیل که آن ها ساعت شبانه روزی ما را مختل می کنند، به اصطلاح به این دلیل که فرایندهای بیولوژیکی را با چرخش ۲۴ ساعته زمین هماهنگ می کنند و به نوبه خود، بر مکانیزم های شیمیایی اساسی بدن ما حاکم می شوند. این ساعت زمانی که هزاران ژن روشن و خاموش می شوند را کنترل می کند و این ژن ها به نوبه خود پروتئین هایی را سنتز می کنند که دستگاه یک سلول را فعال می کنند. هر سلول ساعت مخصوص به خود را دارد و ساعت ها ژن های مختلف را در انواع مختلف سلول کنترل می کنند. در واقع زندگی یک فرآیند ساعت کاری بسیار پیچیده است – در باکتری ها، در قارچ ها، در گیاهان، در حشرات، و در حیوانات. در انسان و احتمالا در حیوانات دیگر، یک ساعت مرکزی در مغز وجود دارد که تحت تاثیر نور است و تمام ساعت های دیگر را در سراسر بدن هماهنگ می کند. بنابراین زمانی که ساعت مختل می شود یا زمانی که درست کار نمی کند، اثرات آن را در هر بافت و اندامی احساس می کنیم.
شاید عجیب به نظر برسد که چنین فرآیند بیولوژیکی بنیادی هنوز خارج از درک ما قرار دارد، اما اینطور است. تحقیقات روی باکتری‌ها، مگس‌های میوه، گیاهان و موش‌ها تا حدودی بر ساعت روشن شده است. ما می دانیم که در پستانداران دارای چهار جزء مرکزی، چهار پروتئین ساعت و ژن هایی است که آنها را سنتز می کنند، که در یک حلقه بازخورد با یک بازوی “مثبت” و یک بازوی “منفی” به هم متصل هستند: پروتئین ها ژن ها را روشن و خاموش می کنند. که به نوبه خود سطوح پروتئین های ساعت را دیکته می کند، به طوری که سطوح پروتئین های ساعت در یک رقص پیچیده در نوسان است. آن را معادل بیوشیمیایی یک ساعت پدربزرگ دو آونگی در نظر بگیرید. فقط در این مورد، هر نوسان آونگ بر روی نوار کاملی از ژن‌های دیگر تأثیر می‌گذارد و فرآیندهای ضروری دیگر را به حرکت در می‌آورد، مانند فرآیندی – که دقیقاً 24 ساعت طول می‌کشد – که طی آن سلول‌های پستانداران تقسیم و تکثیر می‌شوند یا فتوسنتز انجام می‌شود. در گیاهان به نظر می رسد ساعت به اندازه خود زندگی قدیمی است. حتی باکتری های باستانی هم ساعت دارند. پروتئین‌های ساعت خاصی که در انسان‌ها یافت می‌شوند در همه حیوانات نیز یافت می‌شوند – از زنبورها گرفته تا مارمولک‌ها و نهنگ‌ها – که نشان می‌دهد این مکانیسم در طول صدها میلیون سال تکامل چقدر از نزدیک حفظ شده است و بنابراین چقدر برای همه موجودات زنده اهمیت دارد.
در گیاهان، گلدهی با طول روز کنترل می شود. مکانیسم‌های مولکولی مشخص نیست، اما واضح است که حسگرهای گیاهی کیفیت نور موجود را تشخیص می‌دهند، که به نوبه خود با ساعت‌های گیاهی که به نوبه خود 5 یا 10 درصد از ژن‌های گیاه را کنترل می‌کنند، در تعامل است. اگر می‌دانستیم، آیا می‌توان مکانیسم‌های ساعت را تغییر داد تا بتوانیم گیاهان را برای سرعت بخشیدن به تولید میوه و دانه و دو یا سه بار در سال محصول تولید کنیم؟ یا آیا می‌توانیم گیاهان را از یک منطقه، مثلاً مناطق استوایی، جابه‌جا کنیم و در مناطق سردتر که نور در دسترس کمتر است، به درستی عمل کنند؟
همچنین شواهدی وجود دارد که نشان می دهد ساعت در چگونگی یافتن راه خانه زنبورها و سایر حشرات، پرندگان مهاجر و شاید دیگر حیوانات نقش دارد. به نوعی، به نظر می‌رسد که ساعت با توانایی چنین موجوداتی در درک میدان مغناطیسی زمین و استفاده از آن برای جهت‌یابی یا جهت‌یابی فضایی مرتبط است. پروانه Monarch یکی از این گونه ها است و یکی از ژن های ساعت آن کاملا شبیه به ژن های ساعت انسان است. آیا انسان ها نیز توانایی غیر فعالی برای درک میدان مغناطیسی زمین دارند؟
ساعت ممکن است یکی از رازهای اساسی خود زندگی باشد.
موش‌های آزمایشگاهی که بدون ژن ساعت پرورش یافته‌اند، هنوز هم می‌توانند کار کنند، اما سرطان می‌گیرند یا ناهنجاری‌های دیگری دارند – مکانیسم ترمیم DNA آنها کار نمی‌کند. آیا به همین دلیل است که کارگران شیفت شب و خلبانان یا مهماندارانی که در مسیرهای بین المللی پرواز می کنند، بیشتر در معرض ابتلا به انواع سرطان هستند؟ آزمایش‌ها با موش‌های مستعد ابتلا به سرطان سینه نشان داده‌اند که ادامه اختلال در چرخه‌های خواب طبیعی، رشد تومورها را تسریع می‌کند. بنابراین حداقل دلیلی برای نگرانی در افراد دارای سابقه خانوادگی سرطان سینه وجود دارد.
آیا می توانیم ساعت را به عنوان راهی برای بهبود درمان سرطان دستکاری کنیم؟ ما نمی دانیم. اما ما می دانیم که ترمیم DNA در زمان های مختلف روز به طور متفاوتی عمل می کند، که نشان می دهد پرتودرمانی یا شیمی درمانی در زمانی که ترمیم DNA کمترین فعالیت را داشته باشد، بیشترین تاثیر را خواهد داشت.
ساعت همچنین بر فرآیندهای متابولیک اساسی ما تأثیر می گذارد – روشی که بدن ما مواد آلی را تجزیه می کند و انرژی را از غذایی که می خوریم برداشت می کند و سپس از آن انرژی برای ساخت پروتئین ها و سایر اجزای سلول استفاده می کند. اما به روش دیگری نیز کار می‌کند – روزه گرفتن برای یک دوره، سپس غذا خوردن به تنظیم مجدد ساعت کمک می‌کند. روزه‌داری یا رژیم‌های بسیار کم کالری، روند پیری را که توسط ساعت کنترل می‌شود، کند می‌کند. آیا در عوض می‌توانیم ساعت را مجدداً برنامه‌ریزی کنیم – اگر مکانیسم‌های آن را با جزئیات بیشتری درک کنیم – مستقیماً پیری را کاهش دهیم؟ ما نمی دانیم، اما احتمالات فراتر از جذابیت است.
از کاربردهای بالقوه که بگذریم، تحقیق خیلی اساسی تر از این نمی شود. ساعت ممکن است ادعا کند که یکی از رازهای اساسی خود زندگی است. حداقل، درک شیمی سلول های زنده به معنای درک ساعتی است که زمان و اغلب نحوه عملکرد آن شیمی را تنظیم می کند.
انسان ساعتی ساعت شبانه روزی بر زمان بندی طیف وسیعی از واکنش های بیوشیمیایی و فرآیندهای بدن که همگی با ریتم 24 ساعته زمین مرتبط هستند، کنترل می کند یا بر آن تأثیر می گذارد. این به نوبه خود پیامدهایی بر نحوه خواب ما، نحوه عملکرد ما در هنگام بیداری و زمانی که درمان های پزشکی مؤثرتر هستند، دارد.
نحوه باز کردن قفل مکانیسم ساعت
برای درک چگونگی کارکرد ساعت و پاسخگویی به سوالات بی‌شماری در مورد کاربردهای عملی، نیاز به نقشه‌برداری سیستماتیک مکانیسم‌های ساعت در بافت‌های مختلف انسان و در زمان‌های مختلف روز است. سپس دانشمندان می توانند شروع به بررسی چگونگی تعامل پروتئین های ساعت با ژن های ساعت و سایر پروتئین ها از نظر شیمیایی و ساختاری کنند. به همان اندازه مهم، بررسی مکانیسم سیگنال دهی است که توسط آن ساعت مرکزی، ساعت های سلولی منفرد را همگام می کند، به طوری که همه آنها با هم در ریتم چرخش زمین کار می کنند. رویکرد دیگر احتمالا شامل غربالگری میلیون‌ها مولکول کوچک برای شناسایی مولکول‌هایی است که می‌توانند ریتم تناوبی ساعت را تغییر دهند یا دامنه نوسانات ساعت را افزایش/کاهش دهند. چنین مولکول هایی می توانند به عنوان ابزاری برای کمک به مطالعه مکانیسم های ساعت و همچنین پیشنهاد نامزدهای بالقوه برای توسعه دارو در آینده مورد استفاده قرار گیرند.
برای کشف مکانیسم‌های مولکولی دقیقی که پروتئین‌ها، ترکیبات متابولیک و مواد شیمیایی سیگنال‌دهنده ساعت را حفظ و تنظیم می‌کنند، به طیف وسیعی از استعدادهای علمی – در ژنتیک، در نقشه‌برداری پروتئین و تعیین ساختار، و در بیوشیمی پروتئین نیاز دارد. ابتدا باید با ارگانیسم های مدل مانند مگس میوه یا موش کار کنید، سپس ببینید آیا مکانیسم های مشابه در افراد وجود دارد یا خیر. و در نهایت، برای استفاده از این دانش برای تقویت، تصحیح یا تنظیم دقیق ساعت – برای ابداع درمان‌های جدید در افراد یا محصولات مولدتر یا راه‌های جدید برای کنترل باکتری‌های مضر، به تحقیقات بالینی نیز نیاز است.
این پروژه کوچکی نیست. این به تجهیزات نیاز دارد، اما حتی بیشتر مستلزم ایجاد استعدادهای علمی مورد نیاز، حفظ گروه های تحقیقاتی در چندین دانشگاه در طول حداقل یک دهه است. برآوردها حاکی از آن است که 100 میلیون دلار و 10 سال تلاش برای پیشرفت قابل توجه مورد نیاز است – فراتر از یک کمک هزینه تحقیقاتی معمولی. پروژه ای مانند این نیز به خوبی با دستورات بودجه متمرکز بر بیماری های خاص مطابقت ندارد. در واقع، این پروژه مستلزم انجام کاری برای زیست شناسی سلولی است که پروژه ژنوم برای ژنتیک انجام داد – که جای تعجب نیست، با توجه به مرکزیت ساعت برای خود حیات. با این حال، به همین ترتیب، دانش بنیادی به دست آمده احتمالاً تأثیرات عمیقی بر توانایی ما برای حل مشکلات در رفتار و سلامت انسان و در واقع در سایر موجودات زنده نیز خواهد داشت. و شاید در پایان نیز متوجه شویم که چرا ما مکانیزم های ساعتی هستیم، چرا زندگی زمان را مطابق با ریتم زمین نگه می دارد.
